1. ОСОБЛИВОСТІ ВИЗНАЧЕННЯ КУЩОВОГО ЕФЕКТУ
ПАЛЬ ПРИ ДІЇ ГОРИЗОНТАЛЬНИХ
НАВАНТАЖЕНЬ
ДЕРЖАВНЕ ПІДПРИЄМСТВО
Науково-дослідний інститут будівельних конструкцій
(Київ, Україна)
Канд. техн. наук, c.н.с. Р.К. Ковальський
м.н.с. Д.А. Карпенко
Восьма всеукраїнська науково-технічна конференція
“Механіка ґрунтів, геотехніка та фундаментобудування”
м. Полтава, 11-14 листопада 2013 р.
2. Мета досліджень
Розробити методику щодо визначення величини кущового ефекту при дії на палі горизонтальних
навантажень та верифікації математичних моделей з використанням даних польових випробувань.
Аналіз останніх досягнень та публікацій
В останній редакції нормативного документу, що регламентує розрахунки пальових фундаментів відсутні
будь-які вказівки, щодо розрахунки кущового ефекту паль при дії горизонтальних навантажень. Хоча в
попередньому нормативному документі такі вказівки були. Це приведена емпірична формула, яка в основному
залежала від геометричних параметрів пальового фундаменту – діаметру паль та відстані між палями у
фундаменті.
В закордонних працях кущовий ефект прив’язують до кроку паль та кількості рядів. Таким чином
величину кущового ефекту також визначають з врахуванням лише геометрії пальового фундаменту без
врахування інженерно-геологічної будови.
Постанова проблеми в загальному вигляді та її зв’язок з
найважливішими науковими та практичними завданнями
Визначення кущового ефекту при дії горизонтальних навантажень на пальові
фундаменти не представлено в сучасних нормативних документах України. Хоча згідно
вимог нормативного документу врахування кущового ефекту обов’язкове. Тому
визначення величини кущового ефекту при дії на палі горизонтальних навантажень є
актуальним питанням.
3. Óñëî âí ûå î áî çí à÷åí èÿ:
Í àñûï í î é ãðóí ò - áåòî í , ùåáåí ü, ï åñî ê
ï ðåèì óùåñòâåí í î ì åëêèé ñ âêëþ÷åí èåì
ñòðî èòåëüí î ãî ì óñî ðà
Ñóï åñü ï åñ÷àí èñòàÿ , ï ëàñòè÷í î é
êî í ñèñòåí öèè
Ï åñî ê ñðåäí åé êðóï í î ñòè , êâàðöåâûé,
ï ëî òí ûé
Ñóï åñü ï åñ÷àí èñòàÿ ñ ï ðî ñëî ÿì è
ï åñêà, ï ëàñòè÷í î é êî í ñèñòåí öèè
Ï åñî ê ì åëêèé, êâàðöåâûé, ñðåäí åé
ï ëî òí î ñòè, è ï ëî òí ûé, í àñûøåí í ûé âî äî é,
ñ åäèí è÷í î é ëèí çî é ñðåäí åé êðï óí î ñòè
Ï åñî ê ñðåäí åé êðóï í î ñòè , ñðåäí åé
ï ëî òí î ñòè è ï ëî òí ûé, í àñûùåí í ûé âî äî é
óðî âåí ü ãðóí òî âûõ âî ä , ì
1
2
5
9
15
19
20
23
22
24
Ñóãëèí î ê ì åðãåëüí ûé, ï ûëåâàòûé,
òóãî - è ì ÿãêî ï ëàñòè÷í î é êî í ñèñòåí öèè
24
23
22
20
19
15
9
5
2
1
110.49
114.00
95.00
113.99
Ï åñî ê ñðåäí åé êðóï í î ñòè , êâàðöåâûé, ñðåäí åé
ï ëî òí î ñòè, è ï ëî òí ûé, í àñûøåí í ûé âî äî é
Ï åñî ê ñðåäí åé êðóï í î ñòè , êâàðöåâûé, ñðåäí åé
ï ëî òí î ñòè, è ï ëî òí ûé, í àñûøåí í ûé âî äî é,
î äí î ðî äí ûé ï î ãðàí ñî ñòàâó
Ï åñî ê ì åëêèé, êâàðöåâûé, ñðåäí åé
ï ëî òí î ñòè, è ï ëî òí ûé, í àñûøåí í ûé âî äî é,
î äí î ðî äí ûé ï î ãðàí ñî ñòàâó
ІГЕ
Коефіцієнт
пористості,
е
Показник
текучості,
ІL
α = 0,85
E, кПаγII,
кН/м3
ϕІІ,
град
сІІ,
кПа
1 0,49 - 18,3 26 4,0 28000
2 0,44 0,60 20,4 25 15,0 18000
5 0,46 - 20,0 36 5,0 34000
9 0,49 0,40 20,3 22 18,0 15000
15 0,56 - 19,9 32 3,0 30000
19 0,55 - 20,1 35 3,0 35000
20 0,53 - 20,3 35 3,0 40000
23 0,55 - 20,3 35 3,0 40000
22 0,55 - 20,2 33 4,0 33000
24 0,75 0,31-0,72 19,4 23 38,0 25000
Таблиця 1 – Фізико-механічні характеристики ґрунтів
інженерно-геологічних елементів
Для визначення кущового ефекту пальового
фундаменту при дії горизонтальних навантажень
використаємо інженерно-геологічну будову, яка була
визначена в безпосередній близькості біля дослідного
куща (проведено випробування двох паль, голови
яких об’єднанні монолітним залізобетонним
ростверком).
Інженерно-геологічна будова була визначена
безпосередньо біля випробуваного куща за
результатами статичного зондування. Посадка
дослідної палі на інженерно-геологічний розріз
зображено на рис. 1.
Рівень підземних вод на абсолютній відмітці
від рівня землі - 110,49 м (відносна відмітка - 3,5 м).
У таблиці 1 представлені величини фізико-
механічних характеристик ґрунтів ІГЕ, виділених при
виконанні статичного зондування.
Рисунок 1 – Посадка випробувальної палі
на інженерно-геологічний розріз
4. 1
1
Ðî çð³ç 1-1
Рисунок 2 – Геометричні розміри пальового куща
із 2-х паль (1 розрахункова модель)
З врахуванням вище приведеного при розрахунках було розглянуто
дві розрахункові моделі:
- 1 розрахункова модель - просторова модель пальового куща з
2-х паль (див. рис. 2);
- 2 розрахункова модель - просторова модель пальового куща з
76-ти паль (див. рис. 3).
Кущовий ефект досліджувався при середніх навантаженнях на
палях рівним 800 кН, таким чином для 1-ї розрахункової моделі в
рівні ростверку прикладалась сила - 1600 кН, для 2-й розрахункової
моделі - 3200 кН (в поперечному напрямку для одного ряду з 4-х
паль).
Для розрахункових моделей використані наступні вихідні дані.
Характеристики паль: діаметр паль - 1,0 м; довжина паль 19 м;
глибина занурення паль від рівня землі - 19 м; абсолютна відмітка
поверхні ґрунту біля паль - 113,99 м; абсолютна відмітка прикладення
горизонтальної сили - 116,00 м; абсолютна відмітка низу паль -
95,00 м; палі буроін'єкційні - клас бетону С25/30 (В30).
5. 1
34
À0 À Â Ñ D
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
A B C D
Ðî çð³ç 2-2
114.00
116.00
95.00
A
B
C
D
2
2
Рисунок 3 – Геометричні розміри пальового ростверку із 76-ти паль
(2 розрахункова модель)
6. Рисунок 4 – Поверхня головних
напружень Кулона-Мора у просторі (с=0)
Рисунок 5 – Місцева нумерація розташування в
вузлів (·) і пунктів інтеграцій 15-ти вузлового елементу
(PLAXIS 3D - Introductory version)
Розрахунок виконувався в три етапи. На першому етапі формується природний напружений стан
основи з прикладанням до вузлів скінчено-елементної схеми навантажень від власної ваги ґрунту і
початкові умови від генерування тиску води. На другому етапі в розрахункову схему вводяться кінцеві
елементи паль. На третьому - вводяться плоскі елементи ростверку і прикладається зовнішнє
горизонтально-зосереджене навантаження.
Щоб виключити вплив граничних умов на отримуваний результат, розміри геометричної моделі
збільшені на 19 м нижче п'яти паль і на 45 м від паль в горизонтальному напрямку. Граничні умови в
нижній частині моделі представлені у вигляді суцільного защемлення, а вертикальні стінки у вигляді
шарнірно - рухомих опор.
Методика розрахунку в PLAXIS 3D
7. Рисунок 6 – Загальний вигляд розрахункової моделі із 2-
х паль
в програмному комплексі PLAXIS 3D
8. Рисунок 7 – Загальний вигляд розрахункової моделі із
76 паль
в програмному комплексі PLAXIS 3D
9. Рисунок 8 – Зусилля, які отримують при
розрахунку стержневих елементів та елементів
пластин
Теоретичною основою використаної програми є метод скінчених елементів (МСЕ), реалізований
у формі переміщень. Комп'ютерна модель складається із стрижневих кінцевих елементів (КЕ)
(вертикальних і горизонтальних), оболонкових (вертикальних і горизонтальних) кінцевих елементів.
Граничні умови для геометричної моделі прийняті такі ж самі як для моделі в PLAXIS 3D.
Методика розрахунку в LIRA-WINDOWS
Примітка: X, Y, Z – глобальні осі,
X1, Y1, Z1 – локальні осі елементу.
10 Універсальний стрижень довільно X,Y,Z,
UX,UY,UZ
1. Використовується
для одно-, двох- та
тривимірних задач.
2. Допускається наявність
пружної основи.
41 Універсальний прямокутний
елемент оболонки
довільно X,Y,Z
UX,UY,UZ
1. Допускається наявність
пружної основи.
2. Враховуються
властивості матеріалу:
– ізотропія;
– трансверсальна ізотропія;
– ортотропія;
– анізотропія.
44 Універсальний чотирикутний
елемент оболонки
довільно X,Y,Z
UX,UY,UZ
Таблиця 2 – Типи кінцевих елементів
10. Рисунок 9 – Загальний вигляд розрахункової
моделі із 2-х паль в програмному комплексі
Lira-Windows
11. Рисунок 10 – Загальний вигляд
розрахункової
моделі із 76 паль в програмному
комплексі
Lira-Windows
12. Рисунок 11 – Загальний вигляд розрізу та збільшенні фрагменти деформованої системи «грунт – палі –
ростверк» в напрямку Uz для 1-й розрахункової моделі (при N = 1600 кН)
13. Рисунок 12 – Загальний вигляд розрізу та збільшенні фрагменти деформованої системи «грунт – палі –
ростверк» в напрямку Uz для 2-й розрахункової моделі (при N = 3200 кН вздовж одного ряду із 4-х паль)
14. Рисунок 13 – Ізополя переміщень паль (без ґрунту) в напрямку Uz
для 1-й розрахункової моделі (при N = 1600 кН)
Рисунок 14 – Ізополя переміщень паль (без ґрунту) в напрямку
Uz для 2-й розрахункової моделі (при N = 3200 кН
вздовж одного ряду із 4-х паль)
15. За даними
результатів
випробувань, мм
За даними
розрахунків по
PLAXIS
За даними
розрахунків по
Lira-Windows
Примітка
15,0 19,0 19,5
розходження результатів
PLAXIS 27,7%;
Lira-Windows 30,0%
Таблиця 3 – Величина горизонтальних переміщень паль в рівні
поверхні землі
Перша розрахункова модель використовується для верифікації прийнятої математичної моделі
системи «основа – пальовий фундамент». Горизонтальні переміщення паль в рівні поверхні землі за
результатами випробування та за результатами розрахунків при навантаженні на кожну палю 800 кН
приведені в табл. 3
Розходження між дослідними даними та розрахунковими можна пояснити тим, що в
розрахунок прийняті характеристики ґрунту із забезпеченістю 0,85, таким чином отримана
розбіжність результатів є приємливою.
Кущовий ефект визначається, як переміщення в контрольній точці для пальового фундаменту із
76 паль до переміщення пальового фундаменту із 2 паль.
16. ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
Виконане порівняння отриманих розрахункових величин з дослідними даними показує, що
розбіжність величин переміщень паль при дії горизонтального навантаження становить 27,7…30 %. Таке
розходження між дослідними даними та розрахунковими можна пояснити тим, що в розрахунках
прийняті характеристики ґрунту із забезпеченістю 0,85, таким чином отримана розбіжність результатів є
приємливою.
Як видно з табл. 4, при збільшенні кількості переміщення пальового фундаменту збільшується,
тобто проявляється кущовий ефект, який обов’язково необхідно враховувати при розв’язанні системи
«основа-фундамент-надфундаментна конструкція». Особливо актуальне дане питання у випадках коли
вирішується контактна задача для будівель та споруд із значними горизонтальними навантаженнями.
Таблиця 4 – Величина кущового ефекту
Розрахунковий
комплекс
Горизонтальні
переміщення для
фундаменту із 2 паль
Горизонтальні
переміщення для
фундаменту із 76 паль
Величина кущового
ефекту
PLAXIS 19,0 72,0 3,79
Lira-Windows 19,5 79,7 4,08
